Dit artikel toont de statische kamergebaseerde methode voor het meten van broeikasgasflux uit bodembronnen. Met relatief bescheiden investeringen in infrastructuur kunnen metingen worden verkregen uit meerdere behandelingen/locaties en over tijdsbestekken variërend van uren tot jaren.
Methodenartikel
Meting van Greenhouse Gas Flux uit landbouwgrond met statisch Chambers
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Meting van broeikasgas (BKG) fluxen tussen de bodem en de atmosfeer, zowel in beheerde als onbeheerde ecosystemen, is van cruciaal belang voor het begrijpen van de biogeochemische drijfveren van klimaatverandering en voor de ontwikkeling en evaluatie van BKG-mitigatiestrategieën op basis van modulatie van landschapsbeheerpraktijken. De hier beschreven statische kamer-gebaseerde methode is gebaseerd op het vangen van gassen die vanuit het bodemoppervlak in een kamer worden uitgestoten en het regelmatig nemen van monsters uit de kopruimte van de kamer voor analyse door middel van gaschromatografie. Verandering in gasconcentratie in de loop van de tijd wordt gebruikt om flux te berekenen. Deze methode kan worden gebruikt om landschapsgebaseerde flux van kooldioxide, lachgas en methaan te meten, en om verschillen tussen behandelingen te schatten of systeemdynamiek over seizoenen of jaren te verkennen. De infrastructuurvereisten zijn bescheiden, maar een uitgebreid experimenteel ontwerp is essentieel. Deze methode kan eenvoudig in het veld worden ingezet, voldoet aan gevestigde richtlijnen en produceert gegevens die geschikt zijn voor grootschalige BKG-emissiestudies.
Inleiding
Het begrijpen van de bijdragen van zowel menselijke activiteiten als natuurlijke systemen aan de stralingseigenschappen van de atmosfeer is een gebied van kritiek belang terwijl we streven naar het verminderen van antropogene bijdragen aan het broeikaseffect. Naast kooldioxide (CO2) zijn ook lachgas (N2O) en methaan (CH4) krachtige broeikasgassen, die respectievelijk voor een geschat 7% en 19% van de opwarming van de aarde verantwoordelijk zijn, waarbij het grootste deel van de uitstoot afkomstig is van landschapsbronnen1,2. Deze variëren van beheerde systemen zoals landbouwvelden, rijstvelden en stortplaatsen, tot natuurlijke systemen zoals bosbodems, wetlands en termietenheuvels. Nauwkeurige meting, ondersteunend goed geïnformeerd modelleren van dergelijke landschapsgebaseerde emissies is cruciaal om de drijfveren van klimaatverandering te begrijpen, evenals om mitigatiemogelijkheden te identificeren.
Er bestaan verschillende strategieën voor het meten van broeikasgassen, elk met hun eigen sterke en zwakke punten2-5. Massabalanstechnieken zijn gebaseerd op windspreiding van gassen en zijn geschikt voor het meten van flux van kleine, goed gedefinieerde bronnen zoals stortplaatsen en dierenweiden. Micrometeorologische benaderingen zoals eddy covariance zijn gebaseerd op directe meting van verticale gasflux in real-time en kunnen directe metingen over grote gebieden leveren. Echter, homogeniteit in brontopografie is een impliciete veronderstelling (in die zin dat metingen een gemiddelde opleveren voor het onderzochte gebied), en dure infrastructuur kan de implementatiemogelijkheden beperken. Ten slotte richten kamergebaseerde methoden zich op verandering in gasconcentratie aan het bodemoppervlak door te bemonsteren vanuit een beperkte bovengrondse ruimte. Ze maken metingen mogelijk van kleine gebieden en talrijke behandelingen, maar zijn onderhevig aan hoge variatiecoëfficiënten als gevolg van ruimtelijke variatie in bodemgasflux.
Hier bespreken we de meest prevalente en gemakkelijk te implementeren vorm van kamergebaseerde meting, gebruikmakend van het type gesloten kamers zonder luchtdoorstroming, vaak aangeduid als "statische" of "niet-steady-state niet-doorstromende" kamers. In deze aanpak worden gasemissies van het bodemoppervlak gevangen in een geventileerde kamer, en fluxsnelheden worden bepaald door het meten van de verandering in gasconcentratie over tijd binnen de kamerruimte. De statische kamertechniek is wijdverspreid ingezet in zowel beheerde als natuurlijke landschappen en vormt de basis van de meeste rapportages van bodemgebaseerde flux van broeikasgassen, met name N2O6,7. Het is bij uitstek geschikt voor het onderzoek van kleine experimentele percelen, diverse locaties over variabel terrein, of in andere situaties waarbij meerdere afzonderlijke locaties moeten worden bestudeerd zonder aanzienlijke infrastructuurinvesteringen. Typische experimentele toepassingen kunnen de verkenning van alternatieve landschapsbeheerpraktijken en hun impact op bodemgebaseerde CO2, N2O en/of CH4 emissies omvatten, onderzoek van landschapsgebaseerde fluxdynamiek onder kunstmatig geïnduceerde klimaatveranderingsscenario's zoals opwarming en regenuitzondering/aanvulling, of de beschrijvende studie van natuurlijke en landbouwecosystemen en subsystemen.
Als een cruciaal hulpmiddel in GHG-meting en fluxschatting is de statische kamermethode grondig geëvalueerd, en er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om technieken te standaardiseren en gegevensrapportage te harmoniseren4,6,8,9. Van bijzonder belang zijn de gedetailleerde beoordelingen en richtlijnen geproduceerd door het U.S. Department of Agriculture - Agricultural Research Service's Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement network (GRACEnet)8 en door de Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases (GRA)9. Dergelijke richtlijnen bieden een onschatbare bron en platform voor coördinatie, aangezien uiteindelijk de interoperabiliteit van gegevens uit een veelvoud van studies cruciaal is voor het opschalen van lokale bevindingen naar wereldwijd modelleren, en voor het vertalen van onderzoeksresultaten naar haalbare mitigatiestrategieën.
GRACEnet, GRA en andere beoordelingen benadrukken ook het feit dat specifieke technieken in statische kamergebaseerde meting van broeikasgasflux uiterst divers zijn, met significante methodologische variaties mogelijk op bijna elke stap van de weg, inclusief kamerontwerp, temporele en ruimtelijke implementatie, bemonsteringsvolumes, monsteranalyse en fluxberekeningen. De hier beschreven methode presenteert een mogelijke variant, terwijl best practices worden getoond en kritische overwegingen worden benadrukt voor het genereren van hoogwaardige, breed overdraagbare gegevens. Het is bedoeld om een toegankelijk overzicht van deze gestandaardiseerde procedure te bieden, en een platform van waaruit verdere nuances en variaties beschreven in de literatuur kunnen worden verkend.
Protocol
1. Chamber Bouw en Installatie Anker
- Ontwerp en constructie kamers - elk bestaande uit een anker dat in de bodem en een deksel dat in flux meting bovenop het anker geplaatst wordt ingebracht - experimentele behoeften.
- Bij het ontwerpen van vorm en grootte kamer, overweeg ruimtelijke factoren zoals gewas rijenafstand, kunstmest of mest banding en planthoogte. Omdat uitstulping van ankers boven het maaiveld kan bijdragen aan microklimaat effecten en water plassen, overweeg dan om de deksels zitten zo laag bij de grond oppervlak mogelijk. Omdat afwegingen bestaan tussen kamerhoogte en detectiegevoeligheid, ontwerp deksels zo kort mogelijk voor het bestudeerde systeem zijn.
- Bouw kamers van stevig, reactief materiaal zoals roestvrij staal of PVC, en een mechanisme voor het afdichten van het deksel op het anker. Isoleer deksels en bedek met licht-gekleurde of reflecterend materiaal om de warmte opbouw te voorkomentijdens de meting. Onder andere een septum te monster collectie en een buisje laten druk verstoringen te voorkomen tijdens kamer implementatie en sample verwijderen. Voor aanvullende informatie wordt verwezen naar het Materials tafel, Parkin en Venterea 8 en Clough et al. 10.
- Tenminste vóór 1 dag tot bemonstering, installeren kamer ankers in de grond op de gewenste plaatsen. De installatie methode zal afhangen van kamer-ontwerp, maar in het algemeen, van toepassing zelfs druk over alle punten, zodat het anker niet kromtrekken of vervormen de bodemstructuur. Sink het anker tot een diepte van 2,5-13 cm, afhankelijk van de grondsoort, de implementatietijd en kamervolume 6,11. Voeg zo weinig mogelijk (niet meer dan 5 cm) uitsteken boven het bodemoppervlak.
2. Kalibratie en ontwerp van experimenten
Opmerking: Voorafgaand aan het begin van het experiment, de volgende stappen uit om een passende steekproef tijdsverloop waarmee bepalen datate passen om een geschikte lineaire of niet-lineaire flux model (zie Parkin et al.. 12). Dit zal het gebruik van technieken die in de stappen 3-5 (Veldbemonstering, Sample Analysis, en Data-analyse) zijn beschreven, vereisen. Optimale timing is een functie van zowel het bestudeerde systeem en de afmetingen van de kamers wordt gebruikt. Wat trial and error kan worden betrokken. Zie Venterea 13 voor alternatieve benaderingen.
- Kalibratie monsterneming en analyse
- Onder milieu of het beheer omstandigheden naar verwachting relatief hoog spoorgas fluxen te genereren, een intensieve bemonstering volgende technieken beschreven in hoofdstuk 3. Gebruik van dicht op elkaar monsternemingstijdstippen, bevolken een tijdreeks van langere duur dan de typische zou worden beschouwd. Begin met bemonstering van enkele representatieve kamers 5-10 gelijkmatig verdeelde tijdstippen in de loop van een uur.
- Analyseer de monsters door gaschromatografie volgende hoofdstuk 4.
- Kalibratie tolken;op
- Voor elke kalibratie tijdreeksen en elk gas van belang, plot tijd-voor-concentratie.
- Controleer of flux tarieven zijn aan de hoge kant van het verwachte bereik. Zie hoofdstuk 5 voor flux berekening. Zie paragraaf 2.3 voor tips voor probleemoplossing.
- Inspecteer grafieken op tekenen van niet-lineariteit, of specifieker, een plateau gasconcentraties tijd.
Opmerking: Het punt waarop concentratie begint te verschilt plateau per type gas, en is een functie van de snelheid van gasproductie-of verbruik in de bodem, de concentratie van het gas in de kamer vrije ruimte, en diffusie tussen de twee zones. Het wordt daarom sterk beïnvloed door de kamer hoogte, met kortere kamers waardoor kortere tijd voordat plateau. - Gebruik de kalibratie sets te bepalen optimale kamer implementatietijd voor het experimenteel systeem. Als lineaire regressie wordt gebruikt in data-analyse (zoals hier beschreven in deel 5), selecteert timing die zo dicht mogelijk bij een lineaire re onderhoudtlationship mogelijk tussen tijd en concentratie voor alle gassen / systemen plaats, terwijl ten minste drie, bij voorkeur vier, bemonsteringstijdstip binnen de tijdreeks 6. Voor kamers 10-30 cm hoog gebruikt voor CO 2 en N 2 O-metingen, tijdreeksen doorgaans variëren 20-60 min 8,14.
- Kalibratie Problemen oplossen
- Als er slechte differentiatie en / of moeilijkheden veeleisende lineariteit of plateau, gebruik strakker kalibratie tijdstippen of langere kalibratie tijdreeksen en controleer dat de concentraties binnen detectielimieten. Voor lage tarieven van flux, kan een verlaging van het tarief van de accumulatie niet worden waargenomen binnen de geteste tijdsbestek. Dit moet geen aanleiding tot bezorgdheid.
- Als de stromen niet aan de hoge kant van de verwachte experimentele bereik, herhaal de kalibratie, het veranderen van de behandeling of milieu-omstandigheden tot hogere flux (door toepassing van kunstmest of irrigatie, bijvoorbeeld) induceren. Afwisselend, onse ten minste vier tijdstippen in experimenteel ontwerp, zodat als experimentele fluxen zijn significant hoger dan die waargenomen bij de kalibratie en plateauing optreedt, kan latere tijdstippen worden uitgesloten terwijl ten minste drie tijdstippen voor lineaire regressie behouden. Kromlijnige regressie benaderingen kunnen ook worden toegepast.
- Experimental Design
- Op basis van de optimale timing bepaald in punt 2.2.4, bedenken een totale steekproef regeling die aan alle relevante sites, behandelingen en / of herhalingen vangt, en laat personeel om efficiënt te verplaatsen door kamer sites. Indien nodig, verdelen de kamer plaatsen in verschillende "ronden" te bemonsteren na elkaar.
- Als de metingen worden genomen als vertegenwoordiger van een hele dag, monster in een tijd van de dag wanneer de temperaturen gematigd ten opzichte van de dagelijkse extremen. In typische gematigde teeltsystemen, het ideale venster is midden-tot laat-ochtend.
- Indien monsters worden verzameldin opeenvolgende ronden, pas een voorspanning in te voeren door herhaaldelijk bemonsteren dezelfde behandelingen op hetzelfde tijdstip. Construct rondes uit blokken herhalingen in plaats van behandeling-by-behandeling.
- Omvatten tijd voor een eventueel noodzakelijke aanvullende maatregelen, hetzij binnen rondes of voor / na worden genomen, naargelang het geval. (Zie paragraaf 3.3 voor typische bijkomende maatregelen.)
- Eventueel omvatten de tijd voor het verzamelen van lucht monsters voor gebruik bij niet-lineaire modellen flux, of als een benadering van het starten (tijdstip nul, "T 0") concentratie (hier niet beschreven).
- Optioneel zijn onder andere tijd voor het laden van referentie gas in flesjes op het moment van bemonstering mogelijke steekproef degradatie tussen bemonstering en analyse te beoordelen. Zie Parkin en Venterea 8 voor opslag van monsters overwegingen.
- Bepaal de frequentie van de flux metingen die geschikt is voor onderzoeksdoelen is. Dit kan variëren van een enkele meting to dagelijkse, wekelijkse of periodieke metingen in de loop van maanden of jaren. Raadpleeg Rochette et al.. 14 voor een grondige bespreking van experimenteel ontwerp overwegingen.
- Indien monsters worden verzameld in koude omstandigheden, plannen voor opname van een warming-apparaat, zoals een hot pack met flesjes naar septa voorkomen broos.
- Op basis van de optimale timing bepaald in punt 2.2.4, bedenken een totale steekproef regeling die aan alle relevante sites, behandelingen en / of herhalingen vangt, en laat personeel om efficiënt te verplaatsen door kamer sites. Indien nodig, verdelen de kamer plaatsen in verschillende "ronden" te bemonsteren na elkaar.
3. Veldbemonstering
Opmerking: Bij elke staalname datum, volgt de in paragraaf 2.4 vastgestelde bemonsteringsschema, met de hieronder beschreven technieken. Apparatuur en monster volume kan variëren, afhankelijk van de collectie en de overdracht methoden die worden toegepast en de hoeveelheid monster nodig voor GC-analyse 8. Dit protocol maakt gebruik van 5,9 ml verzameling flesjes en 30 ml spuiten, met een spoeling wijze van steekproef overdracht. Zie Overleg voor alternatieve benaderingen.
- Voorbereiding
- Als de bemonstering van meerdere kamers per ronde, bereiden een tijdstip reference rooster (zie figuur 2) om gemakkelijk bijhouden waar en wanneer te proeven. Afwisselend, regelingen treffen om elke keer vast te leggen tijdens de bemonstering.
- Pre-label en regelen collectie flesjes voor maximale efficiëntie en minimale gevaar van verwarring tijdens de bemonstering.
- Om tijd te besparen tijdens de bemonstering, bereiden alle materialen en apparatuur op voorhand. Voorzien van extra's van alles wat kan breken of wordt gemakkelijk verloren (naalden, spuiten, kranen, enz.), en plaats in een carry zak, emmer of een andere houder.
- Wees bereid om eventuele latere starttijd punten die kunnen gebeuren als gevolg van storing in de apparatuur of andere onvoorziene omstandigheden, en die gemakkelijk kunnen worden gecorrigeerd tijdens de data-analyse door het aanpassen van de tijd in verband met een bepaald monster te nemen.
- Sample Collection
- Bevestig en sluit de kamer deksel om de vooraf geïnstalleerde kamer anker, en beginnen met een stopwatch. Dit is T 0.
- Onmiddellijk na het afdichten van de schroefdekselsollect een monster van de lucht vanaf een locatie grenzend aan de kamer, op de geschatte hoogte van de ruimte geplaatst: een lege 30 ml injectiespuit voorzien van een naald en een kraan in de geopende stand trekken een 30 ml luchtmonster en sluit de kraan. Dit is het T 0 monster. Of neem de T 0 monster uit de kamer 6.
Opmerking: Afwegingen bestaan tussen de twee benaderingen - evalueren ruimtelijke (afstand van site of externe microklimaat voor buiten monsters) vs timing (vertraging tussen deksel sluiting en de monstername voor de binnenkant monsters) overwegingen en bepalen van de meest geschikte techniek voor de gebruikte apparatuur en het systeem onder studie. - Met de naald, prik de septum van een 5,9 ml flacon collectie die al een andere naald prikte door de buurt van de rand van het septum.
- Open de kraan spuit en injecteer ongeveer 20 ml van het monster in de flacon (dit zorgt ervoor dat de vorige inhoud van deflacon te worden uitgezet door de extra naald, vervangen door steekproef).
- In een vloeiende beweging, verwijdert de extra naald terwijl zij zoveel mogelijk van de resterende monster (ongeveer 10 ml) mogelijk te injecteren, wat over-druk de injectieflacon monster deugdelijk en laat analyse van meerdere monsters eventueel 8.
- Sluit de kraan en de naald van de spuit terugtrekken uit het septum. Zet de gevulde flacon ondersteboven te onderscheiden van ongevulde flacons.
- Ga door naar de volgende kamer, herhaalt u de stappen 3.2.1-3.2.6, het afdichten van de deksel op de juiste vooraf bepaalde T 0 tijdstip.
- Blijven stappen herhalen 3.2.1-3.2.7 totdat alle kamers in de ronde zijn verzegeld en T 0 monsters zijn verzameld.
- Keer terug naar de eerste kamer.
- Naarmate de tijd nadert 10 seconden ingedrukt totdat de T 1, doorboren het septum in de kamer top met de naald.
- Binnen een 10 tweede reeks van T 1, withdraw een 30 ml monster van lucht uit de kamer en sluit de kraan. Verwijder de naald uit de kamer septum.
- Breng het monster op een verzameling flacon volgende stappen 3.2.3-3.2.6.
- Blijven om monsters volgende stappen 3.2.10-3.2.12, volgens de in paragraaf 2.4 opgericht bemonsteringsschema.
- Bijkomende maatregelen
- Om gasconcentratie te zetten om de massa, het meten van de luchttemperatuur op het moment van de bemonstering. Afhankelijk van onderzoeksdoelstellingen, opnemen of andere ondersteunende maatregelen, zoals bodemtemperatuur en bodemvocht op elke locatie en / of tijd, dagelijkse neerslag, bodem bulkdichtheid, bodem nitraat en ammonium concentraties, enz. voeren verschillende middelen bestaan om deze maatregelen te verkrijgen - volgen standaardprotocollen.
- Optioneel verzamelen omgevingslucht monsters en / of last veldnormen van bekende concentraties in flesjes om omgevings broeikasgasconcentraties en mogelijke opslag-flacon degradatie i beoordelenn de periode tussen monsterneming en analyse (zie paragraaf 2.4.1.4 en 2.4.1.5).
4. Sample Analysis
- Bepaal de concentratie van gassen van belang zijn voor elk monster met behulp van gaschromatografie met behulp van apparatuur voorzien van een electron capture detector voor N 2 O, een infrarood gas analyser of thermische geleidbaarheid detector voor CO 2, en een vlam ionisatie detector voor CH 4.
Opmerking: Het is essentieel om de toegang tot een instrument dat goed is geconfigureerd voor GHG analyse en heeft voldoende run time kan beschikken. Principes en methodes van gaschromatografie worden elders 5,15,16 beschreven. - Converteren trace gasconcentratie van volumetrische massa met behulp van de algemene gaswet:
PV = nRT
Waarbij P = druk, V = volume, n = mol gas, R = gaswet constant, en T = temperatuur. Dus:
5. Data Analysis
- Voor elke tijdreeks, plot tijd-voor-concentratie en evalueren voor lineariteit. Evalueert met de goodness of fit of door visuele inspectie, met uitzondering van latere tijdstippen tekenen van plateau van verdere analyse. Gebruik ten minste drie tijdstippen waaronder T 0 voor flux berekening (T 0, T1, T2 ...). Opzet van een consistente protocol, en alle tijdreeksen die niet voldoen aan de normen van dat protocol voor lineariteit weigeren. Zie Parkin en Venterea 8 voor een grondige bespreking van fouten, bias, en variantie in beweging berekening.
- Voer lineaire regressie.
- Gebruik de helling van de regressielijn voor flux berekenen:
F = S • V • Een -1
Wanneer F = flux, S = helling van de regressielijn, V = kamervolume en A = kamergebied. Dus:
Opmerking: Raadpleeg de Discussie en Parkin et al. 12 voor niet-lineaire benadering van de berekening flux..
Resultaten
Voorafgaand aan het begin van een onderzoek met statische kamers, is het belangrijk om de algehele werkstroom begrijpen en de organisatie van in silico, veld-en laboratorium-gebaseerde elementen (figuur 1). Mits zorgvuldig experimenteel ontwerp en kalibratie van het systeem (figuur 2), zal data-analyse in het algemeen relatief eenvoudig. Een tarief van flux wordt bepaald voor elke kamer en bemonsteringstijd door regressie van de tijd door concentratie met behulp van een vooraf bepaalde flux model aangepast aan het systeem (figuur 3). Maar zelfs na best practices, problemen kunnen voordoen, en kwaliteitscontrole van ruwe data is cruciaal. Bijvoorbeeld, kan het falen van een kamer afdichting of lekkende monsterflesjes resulteren in afwijkende concentraties. Deze worden gemakkelijk geïdentificeerd door visuele inspectie van tijdreeksen concentratie plaatsen (figuur 4), met CO 2 tijdreeksen vaak dienen als een bijzonder useful indicator vanwege de doorgaans meer robuuste en continue stroom van CO 2 in vergelijking met soms verwaarlozen, buurt-detectie-limiet, of zelfs negatieve stromen van N 2 O en CH 4. Zodra datakwaliteit is bevestigd, kunnen de resultaten worden gebruikt om gas flux dynamiek tussen behandelingen of in de loop van een seizoen (figuur 5) te vergelijken. Zoals blijkt uit mei en juni flux waarden en foutbalken, kan de variatie veroorzaakt door ruimtelijke heterogeniteit flux aanzienlijk zijn en meer uitgesproken onder omstandigheden die tot hoge flux. Deze variabiliteit is niet ongebruikelijk, en onderstreept het belang van voldoende replicatie in deze techniek.
Figuur 1. Workflow overzicht. Verschillende elementen van dit protocol zal in de planningsfase worden uitgevoerd, in het veld, in het laboratorium, en in silico. Pijlen geven de volgorde van de workflow, te beginnen met kamer-ontwerp (en de bouw indien nodig), en afgesloten met data-analyse. Meerdere dozen / pijlen tussen de monsterneming veld en steekproefanalyse vertegenwoordigen de mogelijkheid van meerdere monsternemingen in de loop van een experiment.
Figuur 2. Voorbeeld timing. Een voorbeeld timing regeling voor het verzamelen van monsters uit meerdere kamers tegelijk. Kamer nummers worden vermeld op links en tijdstippen aan de bovenkant, met bemonstering keer in hele minuten in het raster weergegeven. In dit voorbeeld zijn vier afzonderlijke tijdreeks van 36 minuten elk (een voor elke kamer) binnen een tijdsbestek van 46 min uitgevoerd bij 12 min afstand tussen tijdstippen binnen een reeks, en 2 min lopen tussen kamers. Voor dit hypothetisch voorbeeld, het suitabiliteit van 36-min tijdreeksen zou zijn bepaald door eerdere kalibratie. Terwijl gelijkmatig verdeeld timing is niet nodig, het vaak vereenvoudigt het bemonsteringsschema. Als alternatief kunnen onderzoekers individueel opnemen elke bemonstering timepoint om bemonsteringsintervallen bepalen.
Figuur 3. Flux berekening. Een normale statische kamer tijdreeksen, bestaande uit N 2 O concentraties gemeten op vier tijdstippen in de loop van een 36-minuten bemonsteringsperiode. De lineaire regressie wordt weergegeven, de helling van die levert fluxsnelheid.
Figuur 4. Kwaliteitscontrole. Gekoppelde tijdreeksen uit dezelfde reeks monsters, maar verschillende gassen worden in which flacon lekkage wordt vastgesteld door visuele inspectie (rode punt). A) de CO 2-concentratie in de tijd. B) N 2 O-concentratie in de tijd.
Figuur 5. Synthese resultaten. N 2 O fluxsnelheid van een agrarisch gebied in de loop van een groeiseizoen. Flux waarden geven het gemiddelde van zes kamers, met vier-punts tijdreeksen. Error bars zijn standaard fout.
Discussie
De statische kamerstelsel aanpak die hier beschreven is een efficiënte methode voor het meten van broeikasgassen flux uit de bodem systemen. De relatieve eenvoud van de componenten maakt het bijzonder geschikt voor omstandigheden of systemen waarin meer infrastructuur-intensieve werkwijzen onhaalbaar. Om een hoge kwaliteit van de gegevens te genereren, maar de statische kamer aanpak moet worden uitgevoerd met strikte aandacht voor experimenteel design 6 uitgevoerd. Een opmerkelijke overweging dat rekening moet worden gehouden, is de ruimtelijke variabiliteit van de bodem gas stromen, wat kan resulteren in een hoge variabiliteit onder repliceren kamerstelsel metingen. Bij het ontwerpen van experimenten, daarom is het belangrijk om voldoende herhalingen om voldoende stroom te leveren voor statistische analyse. Afwegingen kunnen bestaan tussen het aantal behandelingen die kunnen worden bestudeerd met behoud van voldoende replicatie en minimaal vier herhalingen per behandeling een algemene richtlijn 14.
NHOUD "> Als gemeten fluxen zal worden gebruikt voor het schatten dagelijkse emissie, dagelijkse variaties in luchttemperatuur, bodemtemperatuur en broeikasgassen moet rekening worden gehouden. Als onderzoek doelen vereisen metingen kunnen worden verkregen in halverwege de ochtend wanneer de temperatuur weer te geven daggemiddelden, het beperkt venster voor bemonstering kan het aantal kamers dat haalbaar kan worden gecontroleerd beïnvloeden. Een bijkomende overweging moet worden geëvalueerd is de impact die opname of uitsluiting van plantenwortels en bovengrondse biomassa zal hebben op gas stromen. Chamber plaatsing ten opzichte van weefsel plant zal invloed hebben op de interpretatie van de flux-gegevens, met name in het geval van CO 2, waar niet alleen microbiële ademhaling, maar ook wortel schieten ademhaling en fotosynthese moet evenwichtig zijn. Voor aanvullende bespreking van deze factoren, zie Parkin en Venterea 8.Zoals eerder opgemerkt, vele variaties op deze methode bestaat, waaronder kamerontwerp en bemonsteringvolume. Een dergelijke variatie is in de toegepaste methode om monsters uit te wisselen tussen de spuit en collectie flacon. De hier beschreven techniek eerst spoelt de collectie flacon met het monster vóór het vullen van de flacon om positieve druk 5. Een algemeen gebruikte techniek is de overdracht van monsters uit spuiten flesjes die vooraf zijn geëvacueerd met een vacuümpomp en het gebruik van niet-geëvacueerde flesjes zonder spoeling is ook gemeld 8,17. Een ander belangrijk punt waar verschillende benaderingen bestaat in data-analyse en selectie van de meest flux model aangepast aan het systeem onder studie. Naast de lineaire regressie methode beschreven, kunnen niet-lineaire modellen worden toegepast, met name wanneer langere tijden implementatie worden gebruikt. Deze modellen zijn voorzien van het algoritme is ontwikkeld door Hutchinson en Mosier 18 en afleidingen daarvan 19,20, de beschreven door Wagner et al.. 21 kwadratische procedure, en de non-steady-staat diffuse flux schatter beschreven door Livingston et al. 22. Voor een grondige bespreking van niet-lineaire modellen flux Zie Parkin e.a.. 12 en Venterea et al. 23.
Werkwijzen vergelijkbaar met de statische kamer benadering omvatten de toepassing van doorstroming meetsystemen met Fourier overdracht infrarood (FTIR) spectrometrie als een alternatieve bemonstering en gaschromatografie spuit, alsook automatisering sluiting en monsterkamer op verschillende manieren. Geautomatiseerde systemen kunnen vaker metingen met verminderd personeel, maar ook extra investeringen in infrastructuur. Grace et al.. 24 bieden u een uitgebreid overzicht van de mogelijkheden en afwegingen in geautomatiseerde kamerstelsel N 2 O meting.
Karakterisering van broeikasgassen flux van zowel beheerde als natuurlijke systemen is belangrijk om procesmatige modellen de effecten van manageme informeren, begrijpennt praktijken en informeren mitigatie strategieën, en de wereldwijde accounting en klimaatverandering modellering ondersteunen. Dus terwijl de individuele studies zijn informatief op lokale schaal, wordt veel extra waarde afgeleid door bij te dragen aan, en tekenen van een wereldwijde lichaam van kennis over gasuitwisseling tussen het landschap en de sfeer. Het is belangrijk, daarom, dat de gegevens worden verzameld en gerapporteerd op een manier die duurzaamheid en interoperabiliteit met de bredere kennisbasis zorgt. Dit omvat volgende best practices om de kwaliteit van gegevens, alsmede verzameling van ondersteunende maatregelen en uitgebreide rapportage van metadata te waarborgen tot verlenging van de bevindingen verder discrete studies mogelijk te maken. Uitstekende richtlijnen voor de rapportage van gegevens zijn verkrijgbaar bij de GRACEnet project en de GRA 25.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door de National Science Foundation onder subsidienummer 1215858, door het Amerikaanse Department of Agriculture onder subsidienummer 2013-68002-20525, en door het US Department of Energy Great Lakes Bioenergy Research Center – DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) en DOE OBP Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830). Video-opnamen en afbeeldingen in het veld zijn gemaakt bij het Wisconsin Integrated Cropping System Trial project van de University of Wisconsin–Madison. De auteurs zijn Ryan Curtin dankbaar voor zijn bekwame videografisch werk en bewerkingen.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 5.9 ml soda glass flat bottom 55 x 15.5 mm | Labco Limited | 719W | Collectie vials |
| 16.5 mm schroefdoppen met doorboorbaar rubberen septum | Labco Limited | VC309 | Doppen voor vials |
| 90-well plastic flaconrek, 17.1 mm well I.D. | Wheaton | 868810 | Rek voor het organiseren van vials |
| Reguliere schuine naalden 23 G x 1" | BD | 305193 | Naalden voor monsterneming |
| Kraan met luer-aansluitingen, 1-weg, mannelijke slip | Cole-Parmer | EW-30600-01 | Kraan voor spuiten |
| 30 ml spuit, slip tip | BD | 309651 | Spuiten voor monsterneming |
| Stopwatch of timer | Diverse | N/A | Voor het timen van veldmonsterneming |
| Roestvrijstalen of gegalvaniseerde hulpbakken met rand, of vervaardigde roestvrijstalen of PVC kamers en deksels, afmetingen passend bij experimenteel systeem | Diverse | N/A | Kamer anker en deksel - bodem uitgesneden van anker, gaten voor septum en ventilatiebuis in deksel geboord |
| Grijze butylpropen stoppen 20 mm | Wheaton | W224100-173 | Kamersepta voor spuitmonsterneming - in de in de bovenkant van het deksel geboorde gat invoegen |
| Tygon buis 4,0 mm I.D. x 5,6 mm O.D. | Sigma-Aldrich | Z685623 | Kamerventilatiebuis - in het in de zijkant van het deksel geboorde gat invoegen, gelijkvloers met het exterieur, ongeveer 25 cm opgerold in het interieur van het deksel (een 1 ml spuittip kan worden gebruikt als bevestigingsmechanisme) |
| Klevende schuimrubberen tape of HDPE O-ring | Diverse | N/A | Kamerafdichtende mechanisme - vastgemaakt aan de onderkant van de rand van het deksel |
| Reflecterende isolatie, 0,3125" dikte | Lowe's | 409818 | Isoleer- en reflecterende coating - bevestigen aan de buitenkant van het deksel van de kamer |
| Grote metalen bindklemmen, 2" maat met 1" capaciteit, of vervaardigde trekgrendel naar behoefte | Staples / McMaster | 831610 (Staples) / 1863A21 (McMaster) | Dekselbevestigingsmechanisme - voor het vastklemmen van het deksel aan het anker tijdens het monsternemen |
| Gaschromatografieapparatuur uitgerust met elektronenvangstdetector voor lachgas, infrarood gasanalysator of thermische geleidbaarheidsdetector voor koolstofdioxide, vlamionisatiedetector voor methaan | Diverse | N/A | Voor monsteranalyse |
Referenties
- Myhre, G., et al. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Stocker, T. F. , 8, Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2013).
- Denmead, O. T. Approaches to measuring fluxes of methane and nitrous oxide between landscapes and the atmosphere. Plant and Soil. 309 (1-2), 5-24 (2008).
- Smith, K. A., et al. Micrometeorological and chamber methods for measurement of nitrous oxide fluxes between soils and the atmosphere: Overview and conclusions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 99 (1984-2012), 16541-16548 (1984).
- Bouwman, A. F., Boumans, L. J. M., Batjes, N. H. Emissions of N2O and NO from fertilized fields: Summary of available measurement data. Global Biogeochemical Cycles. 16 (4), 1058(2002).
- Hensen, A., Skiba, U., Famulari, D. Low cost and state of the art methods to measure nitrous oxide emissions. Environmental Research Letters. 8 (2), 025022(2013).
- Rochette, P., Eriksen-Hamel, N. S. Chamber Measurements of Soil Nitrous Oxide Flux: Are Absolute Values Reliable. Soil Science Society of America Journal. 72 (2), 331(2008).
- Robertson, G. P. Greenhouse Gases in Intensive Agriculture: Contributions of Individual Gases to the Radiative Forcing of the Atmosphere. Science. 289 (5486), 1922-1925 (2000).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T. Chamber-Based Trace Gas Flux Measurements. In: Sampling Protocols. http://www.ars.usda.gov/research/GRACEnet. Follet, R. F. 3 (1), 3-39 (2010).
- Klein, C., Harvey, M. Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , Wellington, UK. 1-146 (2013).
- Clough, T. J., Rochette, P., Thomas, S. M., Pihlatie, M., Christiansen, J. R., Thorman, R. E. Chamber Design. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 2, Wellington, UK. (2013).
- Hutchinson, G. L., Livingston, G. P. Vents and seals in non-steady-state chambers used for measuring gas exchange between soil and the atmosphere. European Journal of Soil Science. 52 (4), 675-682 (2001).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T., Hargreaves, S. K. Calculating the Detection Limits of Chamber-based Soil Greenhouse Gas Flux Measurements. Journal of Environment Quality. 41 (3), 705(2012).
- Venterea, R. T. Simplified Method for Quantifying Theoretical Underestimation of Chamber-Based Trace Gas Fluxes. Journal of Environment Quality. 39 (1), 126(2010).
- Rochette, P., Chadwick, D. R., de Klein, C. Deployment Protocol. In: Nitrous Oxide Chamber Methodolog Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. (3), Wellington, UK. (2013).
- Fundamentals of Gas Chromatography. Agilent Technologies, Inc. , 1-60 (2002).
- Holland, E. A., Robertson, G. P., Greenberg, J., Groffman, P. M., Boone, R. D., Gosz, J. R. Soil CO2, N2O, and CH4 Exchange. Standard Soil Methods for Long-Term Ecological Research. Robertson, G. P., Coleman, D. C., Bledsoe, C. S. , Oxford University Press. New York, NY. (1999).
- Venterea, R. T., Burger, M., Spokas, K. A. Nitrogen Oxide and Methane Emissions under Varying Tillage and Fertilizer Management. Journal of Environment Quality. 34 (5), 1467(2005).
- Hutchinson, G. L., Mosier, A. R. Improved soil cover method for field measurement of nitrous oxide fluxes. Soil Science Society of America Journal. 45 (2), 311-316 (1981).
- Pedersen, A. R., Petersen, S. O., Vinther, F. P. Stochastic diffusion model for estimating trace gas emissions with static chambers. Soil Science Society of America Journal. 65, 49-58 (2001).
- Pedersen, A. R., Peterson, S. O., Schelde, K. A comprehensive approach to soil-atmosphere trace-gas flux estimation with static chambers. European Journal of Soil Science. 61, 888-902 (2010).
- Wagner, S. W., Reicosky, D. C., Alessi, R. S. Regression models for calculating gas fluxes measured with a closed chamber. Agronomy Journal. 89, 279-284 (1997).
- Livingston, G. P., Hutchinson, G. L., Spartalian, K. Trace gas emission in chambers. Soil Science Society of America Journal. 70, 1459-1469 (2006).
- Venterea, R. T., Parkin, T. B., Cardenas, L., Petersen, S. O., Pedersen, A. R. Data Analysis Considerations. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. (6), Wellington, UK. (2013).
- Grace, P., van der Weerden, T. J., Kelly, K., Rees, R. M., Skiba, U. M. Automated Greenhouse Gas Measurement in the Field. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 5, Wellington, UK. (2013).
- Alfaro, M. A., Giltrap, D., Topp, C. F. E., de Klein, C. How to Report Your Experimental Data. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 7, Wellington, UK. (2013).
Herprints en machtigingen
